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嫦娥五号发射在即!我们要把月球的土带回地球了!

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2020年11月17日,长征五号遥五火箭垂直转运至发射架,标志着嫦娥五号进入了发射倒计时,我们终于迎来了“胖五遥五送嫦五”。据悉,嫦娥五号将于2020年11月24日凌晨发射。关于这次发射任务,大家想必有许多疑问。

今天

关于这些疑问的回答

它!来!了!

Q1

“胖五遥五送嫦五”……

你们是不是欺负我普通话(fa)不过关?


绝对没有!绝对没有!主要今年这一次任务特别巧(真的不是在演)。

“胖五”是长征五号的别称。长征五号是长征系列火箭家族中的一员,目前共有从长征二号丙火箭到长征十一号14个型号在役,具备不同轨道的发射能力以及深空探测的功能。截止目前,长征系列火箭已经执行任务超过350次。在这些火箭里面,有的我们非常熟悉,比如将我们的航天员送上太空的长征二号F火箭,还有被人认为是送人上天集团与送人上西天集团倾力合作的长征十一号火箭;长征五号只是这一大家子中其中一员,不过是个头最大的一个。


部分长征系列运载火箭


长征二号F


海上发射的长征十一号

“遥五”的“遥”实际上是“遥测箭”的简称,在火箭发射过程中,为了追踪飞行状态,需要加装遥测设备,就变成了“遥测箭”,可以将其近似理解为产品生产编号,说到这里,有的人脑海里突然有了这样的语音:“东风飞行正常,遥测信号正常”,你看,这不就出来了。其实以前的火箭也有“遥”的,比如嫦娥一号的长三甲遥十四火箭,但是都是因为长五出来大家才关注“遥”这个问题的。果然都是大猪蹄子。

“嫦五”这个就比较简单理解了,嫦娥五号是中国探月工程“嫦娥工程”的组成部分,而根据探月工程“绕落回”三步走战略的安排,我们已经走到了最后一步。

其实这次在海上,我们还有远望五号在实时接收我们的火箭与探测器信号。如果不是因为对仗不顺溜,我们还会加上一个“远望五”的。

Q2

你们说的这个长征五号,它厉害吗?


他不是厉害不厉害,他真的是那种……在世界上都能排上名的那种火箭!

怎么判断一个火箭厉不厉害呢?就是看能不能把更多的东西送上太空,这里面有几个指标,比如LEO运力(低地轨道/近地轨道)GTO运力(地球同步转移轨:近地1000km以下——远地36000km的同步轨道),我们来比较一下现役世界上的火箭,看一下长五在什么位置:


可以看到的是,在没有长五的时代,长三乙(三姨)承担了主要的发射任务(长七服役仅略早于长五),嫦娥一号到四号也都是长三系列火箭发射的,鉴于他们的辛勤付出,我们赐予了他们“劳模”的称号。在没有长五之前,我们基本上是现役火箭里面吊车尾的,而有了长五,我们瞬间跻身世界现役火箭三强,这是一种怎样的感觉呢?——翻身农奴把歌唱啊!

并且,之前发射的要么是“绕”要么是“落”,飞行器总重量是不大的。嫦娥一号为2350千克,三号为3780千克,对于GTO仅有5.5吨的三姨来说,这快到达她的极限了。而我们的嫦娥五号,其总重量为8.2吨,三姨再努力,也扔不上去啊。

所以说,不仅仅是长征五号厉害,而且从探月到行星探测以及空间站,我们都十分需要长五。

Q3

嫦娥五号是中国探月工程执行的第六次任务……

等会!嫦娥五号为什么是第六次?


这个问题其实涉及到我们编号的另一个方面了。

按照“绕”“落”“回”三步走的战略,我们一号二号是“绕”,三号四号是“落”,五号才能到“回”。但是五号的一些技术我们需要提前验证,这就出现了嫦娥五号T1飞行器“舞娣”(五弟),来模拟嫦娥五号以接近第二宇宙速度返回地球的情况。这一任务执行于2014年10月,也就是嫦娥三号发射10个月之后。


中国探月工程三步走战略


探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空


探月工程三期再入返回飞行试验器回收现场

Q4

嫦娥五号主要执行什么任务呢?


简而言之,“回”的任务就是回来把月球的土壤带回来。

地质人狂喜:你们搞航天的最后不还是变成挖矿的了!

具体而言,嫦娥五号的科学目标:第一个是对着陆点的地形与地质进行探查,第二个是对返回的地面样品进行长期的研究[1]

这一次,我们将一次性通过钻探等方式从月球上采取两千克的月球样本进行研究,从而告别之前的一克样品分两份的时代,迎来自己的采样返回的时代,为日后的载人登月与月球基地奠定基础。从这个角度来看,嫦娥五号不仅争气,还争未来。


美国向我国赠送的“阿波罗17号”登月宇航员采集回的重量仅为1克的月岩样品的一部分

Q5

月球那么大,它准备从哪里采集土壤?

那地方有什么特殊的?


这就要来聊一聊嫦娥五号的降落地点了~

在很早的时候,探月工程就公布了嫦娥五号降落的地点——吕姆克山附近的月海平原,月面坐标为北纬40.8°西经58.1°。吕姆克山的月面坐标是以月球正面中心点为原点建立的,所以我们可以轻松在下图中找到吕姆克山的位置;如果觉得这样的方法太麻烦,我们还有一个更为简单的表示:风暴洋北部。而风暴洋就是月面西部那一片月海的名称。这样,当晚上我们仰望月球的时候,可以轻易的指出嫦娥五号降落的位置,或许还会收获小伙伴的惊叹与赞扬。



月球这么大,为什么我们要选定吕姆克山呢?简而言之就是:其他探测器没去过(不会内卷)。专业人士是这么说的:“风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素,该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。”[2](最终还是搞起了地质)

Q6

两千克样品,真的很多吗?


最终能从月球带回来两千克土壤,事实上,还是比较多的。

没有对比就没有伤害,当年苏联月球16、20、24号一共才带回来不到330克的样品,而我们一次就能带回来两千克,这已经是数量级的区别了(毛熊你听我解释!)为什么会有这样的差别,主要是苏联当年并未掌握月球轨道交会对接的技术,而我们本次采用了这样的技术,具体的程序我们会在下一个问题中详述。


月球16号探测器模型


阿波罗17号航天员正在采集月岩样本

但是相比于美国阿波罗计划从月球带回来的几百千克样本来说,我们还是不够的,还是要等到载人才能达到这样的量级;对于我们未来的月球研究来说,这样两千克的样品也是不够的,我们只能说:道阻且长!


再 放 送

美国赠送的1克样品(的一部分)

Q7

送这样一个双程票的探测器需要几步?

很困难吗?


是的,很困难。这绝不是简简单单的送上去,再飞回来。事实上,过程远比我们想象的复杂。

仅仅嫦娥五号探测器的结构,都比我们以往的航天器要复杂的多。

第一步:将整个探测器送到月球轨道并被月球捕获,这一步骤,从一号到四号都很熟练了

第二步:返回器与着陆器面分离,着陆器带着上升期降落到月面并进行月球采样,轨道器与返回器留在月面。而降落部分,三号与四号都比较成熟了。

第三步:上升器带着样本上升,着陆器留在月球表面。(被抛弃了┭┮﹏┭┮)

第四步:上升器与返回器对接,并将样品送至返回器。

第五步:轨道器与返回器飞向地球(没错这里又抛弃了一个)并在地球轨道附近分离(再抛弃轨道器)。

第六步:返回器以接近第二宇宙速度的速度返回地面,飞行轨道是熟悉的打水漂方式。


看到这里,你是不是脑瓜子嗡嗡的?没事,我们有视频奉上,希望不懂的小伙伴能通过视频理解。

如果对阿波罗十一号登月过程比较熟悉的朋友们可以瞬间发现盲点——这不就是无人版的阿波罗登月嘛?

Bingo!

但这一过程中,我们要实现多项突破:包括动采样自月面起飞月球轨道无人交会对接以及以第二宇宙速度返回地球等关键点[3]。看起来很容易的一个过程实际上困难重重,真是困难到头皮发麻~因此,嫦娥五号也是我国航天史上难度最高的任务之一。

Q8

美国人四十一年前就把人送上太空了,我们现在才把探测器送上去,差距就有这么大吗?


是的,十分巨大,但也不可妄自菲薄。

毕竟四十一年前,我们连自己的人造卫星都没有送上太空。而且这一成就到现在依旧是领先的。从发射的火箭到飞行的航天器,美国还有许多需要我们赶超的地方,这是我们必须承认的事实。

但是我们并非一无是处,更不能妄自菲薄。嫦娥四号在月球背面的登陆已经成就了人类首次,而嫦娥五号的月球轨道自动对接也将创造历史,这些都是我们独特的成就。探月工程从无到有,一步一个脚印,这也是我们的成绩。毕竟,一直到今天,能将探测器安全送上月球的国家也仅有美俄中三个国家而已。


嫦娥四号与鹊桥中继星

而在历史与现实的背景下考虑:当时的阿波罗计划是在太空竞赛背景下进行的,几乎是不计代价的投入,前后总计花费相当于当时美国GDP的0.57%,当年全部科研开发经费的20%,而中国的探月工程只占到了GDP的万分之几,这是两种不同的投入模式[4]。当NASA在2019年表示要在五年内重返月球的时候,其总计划也有200-300亿美元,这一数目已经远超中国整个探月工程的投入。从这一角度来看,我们的探月工程的确是高性价比的。

Q9

如果嫦娥五号成功了,我们下一步的任务就是送人上月球了吗?


按照我们整体的“探”“登”“驻”三大步(无人探月、载人登月、长久驻月),在无人探月之后,我们应该进行载人登月的工程。

那么嫦娥五号之后是不是就要送人上月球了?是吧?不是~!

在嫦娥五号之后,我们的任务是——嫦娥六号!

这合理吗?是的,这很合理。

“绕”“落”“回”三大步骤,每一个步骤都有两个探测器,这是十分正常的存在,比如说:为了备份,以及降低成本。因此,嫦娥六号也是预料之中的事情,或许将对月球的极地进行探测。

哪怕我们开始了载人登月工程,也还有非常长的路要走。以神州系列飞船为例,虽然是载人航天,但是前四次都是无人飞行,到了神州五号才有了第一位航天英雄。因此,想看到中国人登上月球那一刻,我们还需要等一些时日。


中国探月远景图

Q10

嫦娥工程(航天)与我们普通人有什么关系呢?


通常我们认为航天和普通人没有什么关系,甚至一度有搞航天不如西部扶贫的言论。但事实上并非如此!

先不谈及嫦娥五号登月的深远影响,实际上我们生活中的许多用品就由航天事业发明发展而来,比如尿不湿条形码方便面调料中的干菜叶等,最开始是给航天员发明的。对于中国航天科技集团来说,其拥有有效专利2万多件,近年来在全国各地建设了许多成果转化基地,在许多领域取得了显著的成果。因此,如果考虑这些成果,航天事业并不是一个亏本的事业,而是一个回报率极高的事业。


小小条形码竟然也和航空技术相关!

想不到吧.jpg

对于月球来讲,其富含许多对于地球来说十分宝贵的资源,如稀有金属与氦-3等,其中氦-3最引人瞩目,这是一种进行轻型可控核聚变的重要原料。据计算,而一个500兆瓦的发电站,每年氦-3仅需50公斤, 在可控核聚变以及地月运力得到发展之后,我们有望实现低成本发电,带来的便是生产力的大幅提高。


氦-3反应概述图

因此,航天科技很多时候已经悄然进入并改变了我们的生活而我们全然不知,我们做的事情仅有支持我们的航天事业,毕竟我们的征途是星辰大海!

END

参考资料:

1. 张巧玲. 欧阳自远院士描绘嫦娥工程后续蓝图[EB/OL], http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/12/256719.shtm,2011-12-9

2. 于紫月. 嫦娥五号即将升空 “挖土”之旅或可改写月球历史[N],科技日报,2020-11-19(4)

3. 白国龙、余晓洁. 嫦娥五号获新突破将创四个“首次”[EB/OL],http://chuangxin.haiwainet.cn/n/2017/0124/c348213-30682117.html,2017-1-24.

4. 吴伟仁:嫦娥三号“并没有花太多钱” 仅占GDP万分之几[EB/OL],http://scitech.people.com.cn/n/2013/1217/c1007-23865877.html,2013-12-17.

图片来源:

http://www.kepu.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2019/201909/t20190909_480036.html

国家航天局

国家国防科技工业局

中国探月与深空探测网

北京天文馆

人民日报

百度百科

部分图片来自网络

撰稿:行思

美编:江陵


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